Corso di laurea in Scienza dei Materiali
Corso di laurea in Scienza e Tecnologia dei Materiali

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti alcuni concetti fondamentali delle statistiche classiche e quantistiche, alcune applicazioni della meccanica quantistica, della fisica atomica e cenni sui fondamenti di fisica nucleare, al fine di fornire le basi per una adeguata comprensione di alcune tecniche e della relativa strumentazione per la caratterizzazione fisica dei materiali.

L’insegnamento offre altresì agli studenti la possibilità di effettuare misurazioni volte alla caratterizzazione dei materiali introdotte nelle lezioni frontali e di analizzare i dati sperimentali con strumenti informatici dedicati.

Conoscenza e capacità di comprensione:
-Conoscenza adeguata della natura corpuscolare della luce, della struttura dell’atomo e di concetti fondamentali della fisica del nucleo perla comprensione di alcune tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali.
- comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali;
- Acquisizione del metodo sperimentale per effettuare correttamente misurazioni e di metodologie di analisi dei dati per trarre dalle misure le informazioni necessarie per la caratterizzazione dei materiali.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
- capacità di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali
per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica;
- capacità di valutare gli ordini di grandezza, di svolgere calcoli elementari e di risolvere semplici problemi riguardanti le proprietà dei materiali;
- capacità di effettuare misure di laboratorio con l'utilizzo di strumentazione moderna seguendo un adeguato protocollo sperimentale;
- capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica;
- capacità di redigere un resoconto scientifico in modo chiaro utilizzando una notazione scientifica corretta.

L'insegnamento è di 8 CFU, di cui 6.5 CFU (corrispondenti a 52 h) di lezioni frontali e 1.5 CFU (corrispondenti a 24 h per studente) di attività in laboratorio; queste ultime si svolgeranno al termine delle lezioni frontali. 

Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

Argomenti trattati nelle lezioni frontali:

Statistica classica e statistiche quantistiche

• Statistica di Boltzmann, 
• Statistica di Bose Einstein: applicazioni al problema del corpo nero,cenni delle tecniche di colorimetria e termografia; principi difunzionamento del laser.
• Elementi di spettroscopia ottica, colorimetria e termografia
• Statistica di Fermi-Dirac: applicazione al modello del gas di elettroni
• nei metalli.
• La natura corpuscolare della luce:
• quantizzazione dell'energia del campo elettromagnetico
• effetto fotoelettrico
• effetto termoionico

La natura ondulatoria della materia

• Lunghezza d'onda di De Broglie; la relazione di indeterminazione
• La funzione d'onda elettronica; elementi di diffrazione elettronica
• Effetto Tunnel; cenni della microscopia tunnel a scansione (STM)

Elementi di Fisica Atomica

• L'atomo di Bohr
• Atomo di idrogeno, orbitali atomici, momento angolare orbitale e di spin.
• Atomi multi elettronici.
• Struttura della tavola periodica degli elementi
• Magnetismo atomico - effetto Zeeman
• Raggi X caratteristici

Elementi di fisica del nucleo

• proprietà del nucleo
• decadimenti radioattivi;
• Le reazioni nucleari

Attività in laboratorio.
Le attività in laboratorio sono organizzate in 6 sessioni da 4 ore. Gli studenti iscritti all'insegnamento si distribuiranno in gruppo di 3 (max 4) membri.Ogni gruppo eseguirà tre fra le esperienze qui elencate:

• Tecniche di fabbricazione e di misura delle basse pressioni.
• Spettroscopia ottica e colorimetria
• Spettroscopia di raggi x
• Diffrazione ottica
• Verifica della legge di Stefan Boltzmann

La verifica dell’apprendimento si articolerà in tre valutazioni:

valutazione delle attività di laboratorio

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad utilizzare con procedure appropriate la strumentazione di laboratorio per la caratterizzazione dei materiali. Lo strumento di verifica è un rapporto tecnico delle attività svolte in laboratorio, redatto da ogni gruppo di lavoro. La relazione dovrà essere consegnata (in formato elettronico) entro una settimana dal termine delle attività di laboratorio. Eventuali ritardi saranno penalizzati in sede di valutazione. Entro una settimana dalla consegna delle relazioni i gruppi di lavoro verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull’analisi della relazione, in termini di uso corretto della notazione scientifica, uso corretto del protocollo di misura, adeguata analisi statistica dei dati. E’ richiesta la presenza  di almeno un rappresentante per gruppo. La valutazione finale sarà comune a tutti i membri del gruppo. La valutazione ha una validità di 24 mesi.

valutazione della prova scritta

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad applicare correttamente i modelli fisici fondamentali per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica, padroneggiare gli ordini di grandezza delle osservabili fisiche, svolgere calcoli elementari per risolvere semplici problemi riguardanti le proprietà dei materiali.  La prova scritta consiste in 6 esercizi simili a quelli svolti a lezione; questi ultimi sono riportati alla voce "esercizi" nel materiale didattico. La durata della prova scritta è di 2 ore. Non sarà consentito portare alla prova scritta libri o appunti; saranno disponibili dati essenziali (e.g. costanti fondamentali, tabella periodica degli elementi ed alcune formule fondamentali disponibili nelle pagine finali dell'eserciziario) per poter svolgere gli esercizi. La valutazione della prova scritta sostenuta in una sessione d'esame vale per tutta la sessione e solo per quella. Nel caso ci siano due appelli nella stessa sessione lo studente che superi entrambi gli scritti della sessione può presentarsi all'orale scegliendo la valutazione più favorevole.

PROVA SCRITTA DEL 01.07.2015

valutazione della prova orale

tale valutazione è volta a verificare la conoscenza dei modelli fisici fondamentali sulla natura corpuscolare della luce, struttura dell’atomo e dei concetti fondamentali della fisica del nucleo ed a verificare la capacità di esporre le tecniche sperimentali ed i modelli interpretativi delle attività svolte in laboratorio. Per accedere alla prova orale e' necessario aver superato nella stessa sessione una prova scritta con almeno 18/30 (in caso di aver sostenuto più di una prova scritta nella stessa sessione, verrà considerata solo quella con esito migliore) ed aver ottenuto una valutazione di almeno 18/30 delle attività di laboratorio. La prova orale consisterà in una domanda relativa alle esperienze in laboratorio ed una domanda sugli argomenti trattati a lezione.

Il voto finale sarà la media delle valutazioni (espresse in trentesimi) riportate nelle tre prove.

 Il calendario delle sessioni d’esame è riportato nella piattaforma ESSE3. Sessioni straordinarie possono essere richieste solo da studenti in prossimità di discutere la tesi e aventi questo come ultimo esame.

 

 

• Lezione I:

  • Spettro di corpo nero: [2] 49-1.

  • Trattazione di Planck dello spettro di corpo nero: [2] 49-2, Esempio 2, 49-3, DISPENSE.

  • ESERCIZI sul corpo nero.

• Lezione II:

  • Effetto fotoelettrico: [2] 49.5-49.6.

  • ESERCIZI sull’effetto fotoelettrico.

  • Proprietà dei fotoni: DISPENSE.

  • Breve ripasso: equazione delle onde elettromagnetiche, interferenza e diffrazione.

• Lezione III:

  • Comportamento ondulatorio delle particelle: [2] 50-1.

  • L'ipotesi di de Broglie: [2] 50-2.

  • ESERCIZI sulla lunghezza d'onda di de Broglie.
    

• Lezione IV:

  • La funzione d'onda e suo significato fisico: [4] capitoli 1-2.

  • Operatori ed equazione di Schrödinger: [4] capitolo 3.

  • Valor medio delle quantità fisiche, deviazione standard, equazione agli autovalori: [4] capitolo 4.

• Lezione V:

  • L’equazione di Schrödinger stazionaria: [4] capitolo 5.

  • La particella libera in meccanica quantistica: [4] capitolo 6.

  • Pacchetti d’onde e relazioni d’indeterminazione: [4] capitolo 7.

• Lezione VI:

  • Particella nella buca di potenziale unidimensionale: [4] capitolo 8.

  • Effetto tunnel: [4] capitolo 9, [2] 50-8.

• Lezione VII:

  • ESERCIZI sull’effetto tunnel.

  • Oscillatore armonico: trattazione classica, equazione di Schrödinger, operatori di creazione e distruzione, livelli energetici: [4] capitoli 10.1-10.2.

• Lezione VIII:

  • Oscillatore armonico quantistico: funzioni d’onda, confronto la buca di potenziale: [4] capitolo 10.3.

  • Spettro dell’atomo d’idrogeno, l’atomo d’idrogeno nella trattazione di Rutherford e di Bohr: [2] 51-1 fino all’equazione (4), pag 1159, [4] capitolo 11.1.
    

• Lezione IX:

  • L’atomo d’idrogeno quantistico: disaccoppaiamento dell’equazione di Schrödinger, autofunzioni e autovalori di L² e L_z: [4] capitoli 11.2.1-11.2.2-11.2.3.
    

• Lezione X:

  • L’atomo d’idrogeno quantistico: regole di quantizzazione, funzioni d’onda, livelli energetici, dimostrazione della formula di Rydberg: [4] capitoli 11.2.4-11.2.5-11.2.6.
    

• Lezione XI:

  • L’atomo d’idrogeno quantistico: momento angolare e momento magnetico: [2] 51-3, Esperimento di Stern e Gerlach: [2] 51-4, lo spin dell'elettrone: [2] 51-5.

• Lezione XII:

  • L’atomo d’idrogeno quantistico: numeri quantici dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-6.

  • Sdoppiamento delle linee spettrali, struttura fine: [2] 51-9.

  • Effetto Zeeman: [2] 51-9 (fino a pag. 1178).

  • ESERCIZI sull’atomo d'idrogeno quantistico.

• Lezione XIII:

  • Spettro a raggi X degli atomi: [2] 52-1.

  • ESERCIZI sullo spettro a raggi X degli atomi.

  • Classificazione degli elementi di Moseley: [2] 52-2.

• Lezione XIV:

  • Regole per la costruzione degli atomi: [2] 52-3.

  • Struttura della tavola periodica, configurazioni elettroniche, Energia di ionizzazione, transizioni ottiche: [2] 52-4.

  • ESERCIZI sulla costruzione degli atomi.

• Lezione XV:

  • Introduzione alla meccanica statistica: [1] 10.1.

  • L'equilibrio statistico: [1] 10.2.

  • La ditribuzione di Maxwell-Boltzmann: [1] 10.3 fino alla fine, Esempio 10.1.

  • Significato fisico di α e β: [1] 10.4 fino alla fine.

• Lezione XVI:

  • La ditribuzione di Fermi-Dirac: [1] 13.2, Esempio 13.1.

  • La ditribuzione di Bose-Einstein: [1] 13.5, Esempio 13.4.

  • Spettro di corpo nero come gas di fotoni: [1] 13.6, DISPENSE.

 [1] M.Alonso, E.J.Finn, Fundamental University Physics, Vol. III, Quantum and Statistical Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 12th ed., 1980.

[2] Halliday-Resnick-Krane, Fisica 2, Casa Editrice Ambrosiana, 2002.

[3] L. Colombo, Elementi di Struttura della materia, Hoepli-Milano, 2002.

[4] "Introduzione alla meccanica quantistica", dispense fornite dal docente e disponibili alla voce "Materiale Didattico".